“深地资源勘查开采”专项
                燕山期重大地质事件的深部过程与资源效应
校准全硅酸盐地球的钙同位素组成
2017-09-15 22:50

在如今的地球科学中,同位素测量已经成为了一种常规的研究手段。如果把地球比作一个人的身体,地球的各种同位素组成就如同血压,心率,DNA这些指标一样。在这些指标的帮助下,地质学家可以推断地球各个部分的身体状况,反演他们曾经经历的过程。


1.地球科学家诊断地球

大到喜马拉雅山何时隆起,地球-月球体系如何形成,小到河水中的重金属污染来自何方,同位素的应用都可以帮助我们回答这些问题。但正如医生通过血压判断病情,首先需要知道正常人的血压范围,地质学家应用同位素也需要知道原始的,未经受后期复杂地质过程改造的地球的同位素值组成(地质学家经常把这种假想存在的,原始的地球称为全硅酸盐地球)。全硅酸盐地球的同位素组成就如同一把标尺,帮助同位素地球化学家衡量宇宙山河。

钙是地壳中含量第五高的元素,作为一种碱土金属,它非常容易在地球的各个圈层中迁移,此外,钙的半凝聚温度很高,这也意味着钙是宇宙星云物质冷却过程中最先凝聚的几种元素之一。这些特性使得钙同位素可以作为一种有效的工具帮助地质学家认识地质过程。但由于钙同位素的应用还处于摸索阶段,全硅酸盐地球的钙同位素组成还没有确定,地幔中钙同位素的分馏机制尚不清楚。


2. 蓝色的点:原始的橄榄岩;灰色的点:较为亏损的橄榄岩;红色的点:经历过强烈交代的橄榄岩。

针对这一问题,中国科学技术大学壳幔物质重点实验室黄方教授课题组,联合广州地球化学研究所同位素国家重点实验室张兆峰研究员,选取了世界各地具有代表性的橄榄岩样品进行了钙同位素研究。他们发现:(1)原始的橄榄岩具有十分均一的钙同位素组成,平均δ44/40Ca值为0.94 ± 0.05‰(相对于国际标样SRM 915a)(图2),这一结果校准了全硅酸盐地球的钙同位素组成。这一数值和月球的钙同位素组成一致,意味着组成月球的物质来源于地球(图3);(2)经历过轻度熔融的橄榄岩具有偏重的钙同位素组成(δ44/40Ca = 1.06 ± 0.04‰),说明部分熔融提取了轻的Ca同位素,使得残留地幔富集重Ca同位素(图2);(3)经历过强烈交代作用的橄榄岩具有明显偏轻的钙同位素组成(δ44/40Ca = 0.25 ~ 0.96‰)(图2)。我们首次观测到:在地幔岩全岩尺度上超过0.5‰δ44/40C分馏,推测可能是由于再循环碳酸盐的加入导致。


3. 全硅酸盐地球与地外星体及各类陨石对比,全硅酸盐地球与月球及火星的钙同位素组成相似。

该研究精确制约了全硅酸岩地球的准确钙同位素组成,讨论了部分熔融和地幔交代过程中Ca同位素地球化学行为等基础的科学问题,将更好的帮助地球化学家利用钙同位素示踪行星演化和地质过程。

这一研究成果于近期发表在国际知名地学期刊Earth and Planetary Science Letters 上,第一作者为博士生康晋庭,通讯作者为中国科学技术大学黄方教授和中科院广州地球化学研究所张兆峰研究员。本研究受到中国科学院先导专项(B)(XDB18000000),国家自然科学基金(41325011,41573017),111计划,法国CNRS基金,俄罗斯国家科学基金(0330-2016-0006)联合资助。


 
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